空气洁净原理

第四章空气洁净原理,教育部十一五国家级规划教材,洁净室气流组织,洁净室按气流组织单向流洁净室；非单向流洁净室（乱流洁净室）；辐（矢）流洁净室；混合流（局部单向流）洁净室。合理的洁净室气流组织能使室内空气的流动符合设计要求，保证室内空气的温度、湿度、流速及洁净度等满足工艺、人员的舒适度要求。,洁净室气流组织原则,要求送入洁净房间的洁净气流扩散速度快、气流分布均匀，以尽快稀释室内含有污染源所散发的污染物质的空气，维持生产环境所要求的洁净度；使散发到洁净室的污染物质能迅速排出室外，尽量避免或减少气流涡流和死角，缩短污染物质在室内的滞留时间，降低污染物质与产品的接触机率；满足洁净室内温度、湿度等空调送风要求和人的舒适要求。,单向流洁净室气流组织,过去称：层流洁净室或平行流洁净室。定义：气流以均匀的截面速度，沿着平行流线以单一方向在全室截面上通过的洁净室。单向流洁净室的基本原理单向流洁净室靠送风气流“活塞”般的挤压作用，迅速把室内污染物排出。,单向流洁净室的特点,在洁净室内，从送风口到回风口，气流流经途中的断面基本上没有什么变化。送风静压箱和高效过滤器起到均压流作用，全室断面上的流速比较均匀，在工作区内流线单向平行，没有涡流。单向流洁净室不是靠掺混稀释作用，而是靠推出作用将室内的污染空气沿整个断面排至室外。,单向流洁净室气流组织,保证单向流洁净室先决条件有两个：来流的洁净度；来流的活塞流情况。重要措施：在顶棚或墙面满布高效过滤器不可能百分之百地满布过滤器。,图4-1单向流气流组织,垂直单向流洁净室,图4-2垂直单向流洁净室,单向流洁净室原理图,图4-3单向流洁净室原理图,过滤器的满布情况,单向流洁净室的满布比一般情况下满布比应达到80%；垂直单向流洁净室满布比不应小于60%，水平单向流洁净室不应小于40%，否则就是局部单向流了。,满布情况与洁净控制,理想满布比为100%时，过滤器后房间内含尘浓度只决定于过滤器送风浓度。实际情况满布为一个比例时，此时就有涡流区，满布比不同的单向流洁净室，其含尘浓度是不同的。人员密度不同的单向流洁净室含尘浓度也不同，所以要适当控制单向流洁净室的人员数量。,满布比和洁净室满布比,单向流洁净室的特性指标,单向流洁净室性能的特性指标主要有：流线平行度流线平行的作用是保证尘源散发的尘粒不作垂直于流向的传播。乱流度（速度不均匀度）速度场的集中或离散程度。下限风速保证洁净室能控制四种污染的最小风速。,中国、美国的工作区规定,图4-4工作区柱状图（注：净层高不少于2.7m）,cm,流线平行度与渐变流,如果流线是渐变流的曲线，那么其和工作区下限平面的交点以及和下限平面之上1.05m处的平面的交点之间的连线，与水平方向的倾角应大于65。,图4-5渐变流流线的倾角,流线平行度与流线交角,单向流洁净室要求流线之间既要平行，在0.5m距离内线间夹角最大不能过25要求流线尽可能垂直于送风面其倾斜角不能小于65。,图4-6流线交角,乱流度（速度不均匀度）,速度场均匀对于单向流洁净室是极其重要的，不均匀的速度场会增加速度的脉动性，促进流线间的质点的掺混。乱流度是为了说明速度场的集中或离散程度。,下限风速与污染源,下限风速是指保证洁净室能控制以下四种污染的最小风速当污染气流多方位散布时，送风气流要能有效控制污染的范围；不仅要控制上升高度，还要控制横向扩散距离。当污染气流与送风气流同向时，送风气流能有效地控制污染气流到达下游的扩散范围。当污染气流与送风气流逆向时，送风气流应能将污染气流抑制在必要的距离之内；在全室被污染的情况下，要能以合适的时间迅速使室内空气自净。,下限风速建议值,ISO14644-1标准对单向流洁净室建议的平均风速是：ISO5级（100级）0.20.5m/s；高于ISO5级0.30.5m/s。,单向流洁净室气流组织的主要形式,垂直单向流洁净室垂直单向流满布过滤器，格栅回风；垂直单向流满布孔板，格栅回风；垂直单向流满布阻尼层，格栅回风；垂直单向流两侧下回风，过滤器送风；垂直单向流两侧下回风，孔板送风；,单向流洁净室气流组织的主要形式,垂直单向流洁净室垂直单向流两侧下回风，阻尼层送风；垂直单向流，周边压出式回风，满布过滤器送风；无气幕局部垂直单向流；有围挡壁的局部垂直单向流。,单向流洁净室气流组织的主要形式,水平单向流洁净室水平单向流直回式水平单向流隧道式全侧墙回风式/全地面回风式/侧墙和地板组合回风式。其他形式：水平单向流一侧回式；水平单向流双侧回式；水平单向流上回风式；水平单向流对送式。,图4-7垂直单向流满布过滤器+格栅回风,垂直单向流满布过滤器+格栅回风,特点可以获得均匀向下的单向平行气流，自净能力强，能够达到最高的洁净度级别工艺设备可以任意布置，可简化人净设备顶棚结构复杂、造价和维护费用高。,垂直单向流满布孔板+格栅回风,为了降低洁净室的造价，可以将高效过滤器布置在两侧，顶棚满布孔板，起到使气流均匀的作用。但是侧布高效过滤器不容易满足风量的要求，因此这种方式可以应用于洁净面积较小，风量不大的洁净室。,图4-8垂直单向流满布孔板+格栅回风,垂直单向流满布阻尼层+格栅回风,侧布高效过滤器面积不容易满足风量的要求，特别是不容易满足大于80%额定风量的要求。阻尼层的作用是要保证其下方为均匀的平行单向流，因此孔板的开孔率应在60%以上。,图4-9垂直单向流满布阻尼层+格栅回风,垂直单向流满布阻尼层+格栅回风,阻尼层不能用易含尘或本身易带尘的材料金属孔板外，也可用尼龙纱等透气好的材料做阻尼层。这些材料阻力小，使其与高效过滤器之间不能紧密接触，因此在高效过滤器的内表面上容易积尘。,图4-10垂直单向流满布阻尼层+格栅回风,垂直单向流两侧下回风+过滤器送风,垂直单向流洁净室造价高另一个重要原因是使用了格栅地板，材料价格比较高。全顶棚送风两侧下回风洁净室是对地板回风方式的改进。国外有人称其为准单向流洁净室。,图4-11垂直单向流双侧回风+过滤器送风,垂直单向流两侧下回风+孔板送风,高效过滤器侧布，两侧下回风洁净室。与典型的垂直单向流相比较，从顶棚和地面两个方面降低了洁净室的造价。,图4-12垂直单向流双侧回风+孔板送风,垂直单向流两侧下回风+阻尼层送风,这是为了降低洁净室的造价，采取的另一种对满布高效过滤器送风，地板回风方式的改进方法。,图4-13垂直单向流双侧回风+阻力层送风,垂直单向流+周边压出式回风+满布过滤器送风,主要特点：最简易的垂直单向流洁净室气流平行性不如两侧下回风式压出的气流有利于所在环境洁净度的提高,图4-14垂直单向流+周边回风+过滤器回风,无气幕局部垂直单向流,只在需要平行流的地区形成局部单向流投资大为减少,图4-15无气幕局部垂直单向流,水平单向流直回式,送风墙满布高效过滤器水平送风，全墙面回风；回风墙一般安装中效过滤器。特点沿气流方向洁净度不同流线可能略下倾。只在第一工作区达到最高洁净度。,图4-16水平单向流直回式,水平单向流隧道式,水平单向流隧道式气流组织，它是在洁净工作台隧道的基础上改进发展而来的。1-顶棚和墙壁2-送风机3-混合箱4-高效过滤器5-工作台6-支撑框7-开口部。,图4-17水平单向流隧道式,水平单向流隧道式,图4-18隧道洁净室示意图,水平单向流隧道式特点,与水平单向流直回式气流组织的不同点在布置高效过滤器的送风墙的对面没有回风墙，是向外敞开的；没有管路循环空气，而将内部空气向周围环境排出；不能用把压力提高到比周围环境高的方法防止和排除污染，而是靠空气的速度防止污染的侵入；内部的温湿度宜与环境温湿度相同。,水平单向流隧道式的回风方式,该气流组织形式的室内回风穿过工作台进行循环，对工作台台面会造成污染，并且可能会对界面处产生诱导气流，降低洁净工作台的洁净等级。,图4-19全侧墙回风式气流组织,水平单向流隧道式的回风方式,该气流组织形式的洁净工作台位于洁净室内，洁净室的回风全部由地面排出。由于隧道回风参与全室回风容易导致回风速度不均匀引起的气流偏转现象，不容易维持洁净度级别。,图4-20全地板回风式气流组织,水平单向流隧道式的回风方式,可以避免回风穿过工作台和室内回风与工作台共用回风道所带来的弊端。利用设在操作面正下方的条状回风口，使洁净隧道回风可以自成循环，操作面前方回风气流较强，有利于排除污染。,图4-21侧墙+地板地板回风式气流组织,水平单向流其它回式方式,图4-23水平单向流双侧回风式,图4-22水平单向流一侧回风式,水平单向流其它回式方式,图4-25水平单向流对送+对回式,图4-24水平单向流上回风式,非单向流气流组织,基本原理非单向流洁净室靠送风气流不断稀释室内空气，把室内污染逐渐排出，达到平衡。主要形式散流器顶送；带扩散风口过滤器顶送；风口侧送；风口斜送。,非单向流洁净室的基本原理,气流扩散得越快越好。利用干净气流的混合稀释作用，把室内含尘浓度很高的空气稀释，使室内污染源所产生的污染物质均匀扩散并及时排出室外降低室内空气的含尘浓度，使室内的洁净度达到要求。,图4-26非单向流洁净室的基本原理,非单向流气流组织,图4-27非单向流气流组织示意图,非单向流洁净室的特性指标,非单向流洁净室的特性指标换气次数与舒适性空调相同气流组织保证能均匀的送风和回风，充分发挥洁净气流的稀释作用。自净时间室内从某污染状态降低到某洁净状态所需要的时间。,非单向流洁净室的换气次数,非单向流洁净室的气流组织,气流组织的作用是保证能均匀的送风和回风，充分发挥洁净气流的稀释作用。因此要求单个风口有足够的扩散作用。整个洁净室内风口布置均匀，数量尽可能多，要尽量减少涡流和气流回旋。ISO5级(100级)或更高洁净度的洁净室，需要采用单向流洁净室。,非单向流洁净室的自净时间,非单向流洁净室的自净时间反映了洁净室从污染状态恢复到正常状态的能力，因此自净时间越短越好。非单向流洁净室自净时间一般不超过30分钟。,T:非单向流洁净室自净时间（min）;N0:洁净室原始含尘浓度，即t=0时的含尘浓度（pc/L）;N:洁净室稳态时的含尘浓度（pc/L）;N:换气次数（次/h-1）.,非单向流洁净室气流组织主要形式,非单向流洁净室根据送风口、回风口的构造和设置位置分为不同的气流组织形式散流器顶送形式简单，适宜于小面积的洁净室。,图4-28散流器顶送,非单向流洁净室气流组织主要形式,增大了过滤器顶送的洁净气流作用范围比过滤器顶送多一个出口积尘的机会长期不运行后再运行时要先擦净扩散风口,图4-29带扩散风口顶送,非单向流洁净室气流组织主要形式,这种气流组织形式比过滤器顶送简单特别适用于无顶棚空间的房间。可利用走廊，风管设于走廊顶棚中。适合有一般空调要求的洁净室。,图4-30风口侧送,非单向流洁净室气流组织主要形式,用于房间长度不够侧送或不允许回流的场合（如手术室）。,图4-31单侧风口斜送,非单向流洁净室气流组织主要形式,图4-33局部孔板顶送,图4-32双侧口斜送,非单向流洁净室气流组织主要形式,图4-35双层壁回风顶送,图4-34局部阻尼层顶送,辐流洁净室气流组织,辐流洁净室气流组织的基本原理辐流洁净室(或矢流洁净室)，它应属于非单向流，但又有比较接近于单向流的效果，而又远比单向流在构造上简单。主要形式扇形半球形半圆形,辐流洁净室气流组织示意图,图4-36散形送风口示意图,图4-35辐射流洁净室示意图,辐流洁净室气流组织的特点,空态时流线不交叉，流线间横向扩散比较弱，在下风向上角有非常弱的反向气流，污染在室内的滞留时间短于非单向流洁净室的自净时间.静态时，在障碍物的下风侧或两侧出现涡流区，因此在辐流洁净室中应尽可能避免在流线方向上的障碍。,辐流洁净室气流组织的特点,设置扇形送风口时，回风口对流场和浓度场的影响均很小；设置半圆柱形送风口时，低回风口对控制污染有利，一般回风口高度宜取0.3m。辐流洁净室的气流分布不如单向流洁净室的气流分布均匀，风口和过滤器均比常规风口和过滤器复杂一些，并且在非空态时容易产生涡流区。,辐流洁净室的设计参数,半圆柱形送风口室宽宜在612m之间;回风口高度0.3m半圆柱形送风口的圆柱半径0.5m；半圆柱形送风口的送风速度=0.450.6m/s。,辐流洁净室的设计参数,扇形送风口扇形送风口的送风速度=0.450.55m/s,洁净室压差控制的作用,洁净室的压差就是洁净室与周围空间所必须维持的静压差。使厂房外环境与洁净室之间、洁净度不同的洁净室之间或洁净室与一般房间之间保持适当的压差值.目的是为了保证洁净室在正常工作或空气平衡暂时受到破坏时，洁净室的洁净度免受邻室的污染或污染邻室。,压差控制的正压与负压选择,洁净室与邻室维持正的静压差（简称正压）是较为常见的情况。工业洁净室和一般生物洁净室都是采用维持正压。使用有毒、有害气体或使用易燃易爆溶剂或有高粉尘操作的洁净室、生产致敏性药物、高活性药物的生物洁净室以及其他有特殊要求的生物洁净室需要维持负的静压差（简称负压）。,建议静压差,维持静压差风量计算,多数是采用房间换气次数估算的，缝隙法比估算法较为合理和精确。右上式是缝隙法维持静压风量计算公式右下式是经验式计算压差风量,LC:维持洁净室压差值所需的压差风量（m3/h）;P:流量系数，通常取0.20.5;P:静压差（Pa）;:空气的密度（kg/m3）.,:根据围护结构气密性确定的安全系数，一般可取1.11.2;q:当洁净室为某一压差值时，其围护结构单位长度缝隙的渗漏风量（m3/(hm)）;l:洁净室围护结构的缝隙长度（m）.,围护结构单位长度缝隙的渗漏风量,洁净室压差值与房间换气次数,洁净室压差控制,原理是控制送风量、回风量和排风量。正压压差的控制措施回风口控制余压阀控制调节回风阀或排风阀差压变送器控制调节新风阀,洁净室压差控制,回风口控制通过回风口上的百叶可调格栅或阻尼层改变其阻力来调整回风量，达到控制室内压力的目的。特点是结构比较简单、经济，格栅控制调节量方便。但格栅不易关死，且调节幅度不大，会对气流方向产生影响。,洁净室压差控制,余压阀控制通过手动或自动调整余压阀上的平衡压块，改变压阀的阀门开度，实现室内的压力控制。余压阀一般设在洁净室下风侧墙上。余压阀安装简单。,图4-37余压阀控制正压,洁净室压差控制,图4-39调节新风量和回风量控制正压,图4-38压差变送器自动控制系统,洁净室缓冲与隔离,压差控制是防止将污染带进或带出洁净室的重要措施。当需要的压差值太大，不容易办到时，就要加设辅助设施。常见的缓冲设施气闸室；缓冲室；空气吹淋室传递窗,洁净室流场数值模拟,洁净室流场数值模拟的意义不同的气流组织型式及送回风参数条件下，室内污染源所散发的颗粒物在气流运动的作用下会产生不同的运动，也使洁净室有不同的净化效果。数值模拟方法可以模拟和预测洁净室内的主要场，从而确定最佳的空气净化方案，为洁净室的设计提供良好的参考。,洁净室流场数值模拟的主要步骤,建立数学物理模型网格划分设置计算边界条件数值算法求解结果可视化及结果分析。,建立物理模型,房间尺寸XYZ=8.0m3.0m6.0m；送风口2.6m2.4m；两侧下回风，回风口4.0m0.3m底边离地0.1m；排风口0.4m0.4m；手术台1.8m0.6m0.8m。,图4-40几何模型1-送风口2-手术床3-回风口4-排风口,数学模型,建立数学模型是为了对所研究的流动问题进行数学描述。洁净室内空气的流体流动通常用不可压缩流体的粘性流动控制微分方程来描述。因此数值模拟中最基本的数学物理模型即为粘性流体的N-S方程。采用稳态不可压缩N-S雷诺时均方程，用湍流涡粘度模型处理雷诺应力项，方程的封闭采用高雷诺数-模型。以及相应的假设条件。,数值计算方法,由N-S方程建模获得的微分方程相互耦合，具有很强的非线性特征，目前只能利用数值方法进行求解。这就需要对实际问题的求解区域进行离散。数值方法中常用的离散形式有：有限容积法，有限差分法，有限元法等。